第36卷第5期2020年10月
热带气象学报
JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY
Vol.36,No.5Oct.,2020
文章编号：1004-4965(2020)05-0577-13
多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层
风场精度分析
史文浩1，汤杰2，陈勇航1，赵兵科2，汤胜茗2，杨文杰1，邬贤文1
(1.东华大学，上海201600；2.中国气象局上海台风研究所，上海200030)
摘要：多普勒激光雷达在台风等强天气背景下的探测能力亟待研究，为此将多普勒激光雷达与70m 测
风塔超声风温仪在同址同高度探测台风“利奇马”影响期间的边界层风场数据进行对比，并分析多普勒激光雷达的误差分布以及变化情况。结果显示：在高度70m 上，两者的水平风速、风向相关系数分别为0.97和0.99，垂直风速的相关系数为0.36。以超声风温仪为参考值，激光雷达水平风速、垂直风速和风向均方根误差分别为1.06m/s 、0.46m/s 和17.10°。深入研究表明：降水对多普勒激光雷达测量水平风速和垂直风速误差均有一定影响。当激光雷达信噪比大于2000时，各参量的误差与信噪比呈负相关关系。研究表明多普勒激光雷达至少可以较好地刻画台风环流内的水平风场结构及演变，可应用于台风外围环流影响下(即较弱降雨条件下)边界层风场的高分辨率探测和研究。
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词：台风；多普勒激光雷达；超声风温仪；边界层风结构
中图分类号：P444
文献标志码：A
Doi ：10.16032/j.issn.1004-4965.2020.053
收稿日期：2020-03-14；修订日期：2020-06-18
基金项目：国家重点研发计划国际合作专项(2017YFE0107700)；国家重点研发计划(2018YFC1506305)；国家自然科学基金(41775065、
41475060、41805088)；上海市自然科学基金(18ZR1449100、19dz1200101)共同资助
通讯作者：汤杰，男，江西省人，研究员，博士，主要从事台风边界层结构和机理研究。E-mail:*****************
1引言
大气风场的变化与人类的生活息息相关[1−3]，更精确可靠的风场数据可以改进相关气象模型，提高天气预报的准确性，在风力发电、航空航天、航运交通、防灾减灾等领域都具有重要意义[4−6]。风场的测量手段有很多，主要分为主动式和被动式，被动式大气测风手段有风速计、风向标、探空仪、浮标、测风塔等[2]，风速计和风向标只能实现单点测量，安置在测风塔上可以获取不同高度的风场信息，但是地基测风塔高度往往非常有限[7]。浮标也为定点观测，但空间覆盖范围小、空间分辨率低，且在台风期间易损坏[8−9]。探空仪可以很好地获得当地的相关资料，但是覆盖范围有限，很难获
得大范围和长时间序列的观测资料[1]，
可见被动式探测装置的可探测时空范围均受限制。主动式大气测风手段有风廓线声雷达、多普勒激光雷
达等，风廓线声雷达在晴空天气条件下存在较大的测风盲区，同时容易受到大气状况、地势和环境障碍物的影响，在夜间和海拔高的地区进行测量时，会出现信噪比降低的现象，从而导致测量精度下降。无论是被动式还是传统的主动式测量手段均存在一定的局限性。作为新型的光电遥测技术，多普勒激光雷达是利用大气中气溶胶对激光散射回波的多普勒频移效应，间接测量大气风场的分布[10]。激光测风雷达具有时空分辨率高、抗干扰能力强、覆盖范围大、探测距离远、自动化程度高、安装简单易维护，移动便携性好等优势[3,11−12]，可以弥补被动式以及传统主动式测量手段的不足，因此在国
热带气象学报第36卷
内外得到越来越广泛的应用。
为了解多普勒激光雷达探测性能，国内外相关研究人员开展了与其他风场测量技术同步对比的相关研究，周安然等[13]将相干多普勒激光雷达与超声波风速仪数据进行对比分析。结果表明：水平风速相关系数达0.980，标准差为0.235m/s，风向数据相关系数达0.993，标准差为3.105°，可以判断相关激光雷达具有优良的性能，可以应用于大气边界层内的风场探测。李志刚等[14]利用机载多普勒激光雷达数据，结合小球测风数据，进行了风场信息的反演和结果的对比，结果表明，两者的水平风速标准差小于1.4m/s，风向标准差小于10°，相关系数都达到0.95以上，验证了激光雷达的工作性能和数据反演算法的准确性。唐磊等[15]将激光雷达测量的风速、风向廓线与探空气球测量的结果进行对比，结果吻合较好，
高度10km以下的风速最大差距为3.0m/s，20km以下最大差距为4.5m/s；风向除拐点外标准差最大为32°。Smith 等[16]将平坦地形上多普勒激光雷达测得的水平风速与四个不同高度的水平风速计进行对比，相关系数为0.96，线性回归直线的斜率接近1。Pefia等[17]发现多普勒激光雷达与风速计测量结果之间有良好的一致性，线性回归直线的斜率为0.96～0.99，偏差小于0.16m/s。
对于台风研究和业务中，高精度的边界层风场结构观测非常重要。然而当前激光雷达在台风条件下的适用性和观测精度研究还较少。2008年Pu等[18]首次在台风环境下使用机载多普勒激光雷达对台风Nuri的风场进行观测，将测得的风廓线与8个探空仪的结果进行对比，研究认为机载多普勒激光雷达测风数据可以用于模式同化，并用于研究台风Nuri的生成结构。Weissmann等[19]利用机载多普勒激光雷达在台风Sinlaku期间测得的2500个风廓线资料进行研究，证实了多普勒激光雷达观测资料的可用性。最新研究[9,20]利用机载多普勒激光雷达探测大西洋飓风，结果发现激光雷达与下投探空仪数据具有很高的相关性，并认为至少对于较弱的台风(强热带风暴等级以下，即最大风速低于31.2m/s)，激光雷达具有较好的探测精度。国内学者已经开始利用激光雷达探测风场，并认为具有一定的可信度和分析价值[21]。需要特别指出的是国内外用激光雷达探测台风并进行误差比对主要是基于机载方式，而应用地基多普勒激光雷达对台风边界层风场的研究相对较少，其中一个重要原因是一直缺乏对于台风环境下多普勒激光雷达的探测精度和可用性的研究。
随着多普勒激光雷达在大气科学领域的普及，我国自主研发的多款多普勒激光雷达也开始投入使用，亟
待对其探测能力和探测精度进行研究，特别是对于台风、暴雨等强天气背景下的研究亟待开展。因此，本研究主要基于我国自主研发的扫描式相干多普勒激光雷达在福建霞浦县三沙镇测得的三维风场数据，并与同址的边界层测风高塔探测结果进行对比，量化分析台风“利奇马”期间多普勒激光雷达的测风精度和探测性能，为今后科研业务人员更好地分析强天气的边界层风场结构提供技术支撑，并为激光类设备未来在天气系统探测的应用发展提供适用性依据。
2观测仪器及方法
2.1相干式多普勒激光雷达
本研究采用的激光雷达是青岛华航环境科技有限公司生产的WindPrint S40003D扫描式相干多普勒激光雷达(以下简称激光雷达，图1a)。激光雷达安装于福建霞浦县三沙镇的华东台风野外观测基地。根据装备说明，激光雷达工作在红外波段，可实现地面至低空4000m大气风场的探测，具有较高的时间分辨率(秒级，约0.25Hz)，仪器在常规环境下水平风速精确度＜0.1m/s，可连续获得径向风速、水平风速、风向、垂直风速、信噪比以及地面温度、气压等多种大气参数，其主要性能参数如表1所示。在降水时，由于雨滴的下降速度通常与大气风速不一样，所以在风谱上，激光雷达能测量到两个峰值谱融合之后的谱，然后再提取出降雨谱，将雨滴下落速度与大气风速进行分离，不同类型的降水对激光雷达的衰减不同，但不影响距离订正，对信号质量的影响主要体现在降水引入的垂直速度谱会影响到风谱的识别。
目前多普勒激光雷达测量风场和风廓线波束扫描反演方法主要有DBS(Doppler Beam Swinging)、VAD(Velocity Azimuth Dispiay)、VVP (Volume Velocity Processing)等[22]，本研究使用的扫描方法是DBS五波束方法(DBS-5)，扫描俯仰角
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第5期史文浩等：多普勒激光雷达探测台风“利奇马”
边界层风场精度分析
为60°。与其他方法相比，DBS 需要的波束更少，能在较短的时间内完成，在气流不稳定的情况下同样适用。DBS-5反演风廓线时，需要东南西北、垂直五个方向的径向数据[23]
，
其中激光雷达水平风的获得需假设基本风场为均匀风场，且忽略垂直分量[24]，垂直风是通过激光雷达垂直波束直接测量所得。
DBS-5扫描模式如图2所示，该方法利用东南西北四个方向的径向数据反演水平风场，垂直风速由垂直方向的波束直接测得，计算方法如下：u =
V N -V S
2cos θ(1)v =
V E -V W
2cos θ
(2)V h =u 2+v 2
(3)w =V Z
(4)
其中：u 为南北方向风速分量，v 是东西方向风速分量，V E 、V W 、V S 、V N 、V Z 分别是东西南北和垂直方向上的径向风速，θ为激光光速与水平方向的夹角，V h 为水平风速，
w 为垂直风速。 2.2超声风温仪
超声风温仪的测风塔和激光雷达二者相距约400m ，距海岸线距离小于50m ，测风塔的基底比激光雷达基座高度高约10m ，测风塔和激光雷达
的相对位置如图3所示。测风塔的10m 、30m 、50m 、70m 分别安装了英国Grell 公司的Windmaster pro 型观测仪，风速的测量范围是0～70m/s ，测量精度为0.1m/s ；风向标的测量范围是0～360°，精度为0.1°，数据采集器为Campbell 公司的CR3000，数据采集频率是20Hz ，可承受降雨强度为300mm/h ，在研究时段内，最大降水强度均小于300mm/h ，故受到降雨的影响较小，超声风温仪装置见图1b ，风速计所在的横臂支架朝向西侧。基于此类超声风温仪在台风中应用的质控方法和资料介绍可参考文献[25−26]，具有较高的可信度。本研究主要选取测风塔最高处70m 高度的超声风温仪数据和多普勒激光雷达最低探测高度(77.9m)数据进行同步对比，考虑到两个装备获取的探测数据所在水平和垂直位置都非常接近，可认为是同点同高度观测，因此二者的数据比对是合理可行的。
图1多普勒激光雷达与超声风温仪装置图
a.激光雷达；
b.测风塔上的Windmaster pro 三维超声风温仪。
表1WindPrint S4000多普勒激光雷达性能参数
主要指标
最大探测距离微光波长数据更新速率常规环境风速测量精度常规环境风向测量精度
扫描方式重量平均功率
参数4000m
1550nm ，人眼安全不可见
1Hz <0.1m/s <3°DBS <100kg
800W ，常温下<300W
图3激光雷达与测风塔位置关系图五角星标记为激光
雷达所在位置，三角标记为测风塔所在位置。
(a)
(b)
图2DBS-5扫描原理图
V N
V W
V Z
V S
V E
θ
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热带气象学报第36卷
2.3台风“利奇马”过程及试验数据处理及质量控制
2019年第9号台风“利奇马”于2019年8月4日15时(北京时间，下同)编号命名，7日05时升级为台风，7日23时快速升级为超强台风，并继续向西北方向移动。“利奇马”于10日01时45分在浙江省温岭市城南镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力有16级(52m/s)。图4为台风“利奇马”路径示意图。
此次台风影响期间，台风外围环流经过位于福建霞浦三沙的华东野外探测基地，在8月9日20时距离台风中心最近，约为186km 。本文分析时间段为2019年8月3—19日，并分为台风影响前期(3—7日)，影响期(8—11日)和影响后期(12—19日)。
在分析过程中，本研究采取每15分钟数据作为一个分析样本，分别进行平均，把超声风温仪的探测结果视为真值，将多普勒激光雷达与超声风温仪的探测结果进行对比。在实际观测中，激光雷达受信噪比的影响，因此在数据处理时剔除信
噪比低的无效点(信噪比小于7)，以及各参量的异常值点，这些数据不参与计算及分析，在对数据进行平均处理时，风速采用算术平均法，风向采用矢量平均法[27]。
基于以上方法，从水平风速、风向、垂直风速三个不同参量进行分析，通过研究相关系数(R ，衡量两者
之间的线性相关程度)、均方根误差(RMSE ，衡量观测值同真值之间的偏差程度)以及误差与降水量和信噪比的关系，来研究多普勒激光雷达风场探测的可靠性和准确性，分析激光雷达测量风场精度的影响原因。R 与RMSE 的计算公式如下：
R =
∑
i =1
n (x i -x
ˉ)(y i -y ˉ)∑i =1n
(x i -x
ˉ)2∑i =1n
(y i -y ˉ)2(5)
(6)
式中：
x史文翔
i 是激光雷达的测量值，x ˉ是激光雷达测量的平均值，
y i 是超声风温仪的测量值，y ˉ是超声风温仪测量的平均值。
图4台风“利奇马”路径分布示意图红标记处为观测点位置，黑标记处为台风登陆点。
3结果与讨论
3.1数据概述
基于研究区间15分钟降水量和信噪比随时间
的变化图(图5)发现，信噪比在8月11日12时之前
的值偏小，且在台风登陆前12小时内，信噪比明显降低，同时段降水密集，8月11日12时之后信噪比增大，在有降水的情况下，信噪比偏小，说明降水会导致激光雷达的信噪比降低。
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第5期史文浩等：多普勒激光雷达探测台风“利奇马”边界层风场精度分析为了验证激光雷达测量水平风速的精度，将2019年8月3—19日激光雷达的水平风速与超声风温仪的水平风速进行对比(图6)，在整个观测期间激光雷达测得的水平风速与超声风温仪观测数据趋势非常接近。结合信噪比随时间的变化图(图5)，在台风影响前期水平风速整体较大，信噪比整体较小；在台风影响期间，激光雷达和超声风温仪均测得水平风速在台风登陆前10小时内逐步增大，在8月10日06时左右达到峰值(约21m/s)，之后逐步减小；
在台风影响后期，水平风速减小，而在此信噪比增大，因此水平风速的大小似乎与信噪比有一定负相关关系，即高风速条件下，信噪比较小。结合降水随时间的变化图(图5)可看出，尤其在有降水的情况下，二者水平风速的差值变大，降水可能是影响激光雷达测量水平风速准确
度的因素，整体来看，激光雷达的水平风速稍高于超声风温仪，可能的原因是多普勒激光雷达的观测高度稍高于超声风温仪。
从激光雷达与超声风温仪风向随时间的变化图(图7)来看，激光雷达风向的观测结果与超声风温仪的观测结果一致性较好。观测点位于台风路径的西侧，在台风登陆之前，观测所得的主风向为北向，随着台风继续北上，主风向逐渐转变为南向。在此期间，激光雷达与超声风温仪的观测一致性较高。在台风影响前期，结合信噪比随时间的变化图(图5)，当信噪比均值较小时，信噪比曲线越平滑，二者的误差越小，当信噪比波动较大时，激光雷达测得的风向波动也大，与实际风向相差较大，推测信噪比的稳定性可影响激光雷达测量风向。
图515分钟累积降水量(蓝实线)和激光雷达信噪比(红实线)随时间的变化
两个虚线之间为台风影响期。
图6激光雷达(蓝实线)与测风塔70m 超声风温仪(红实线)探测的水平风速随时间的变化
5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50
降水量/m m 影响前期
影响期
影响后期
12000100008000
6000400020000
信噪比
日期
3日
4日
5日
6日
7日
8日
9日10日11日12日13日14日15日16日17日18日19日20日
降水量
信噪比
22201816
14121086420水平风速/(m /s )
影响前期
影响期
影响后期
激光雷达超声风温仪
日期
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4日
5日
6日
7日
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